CN107134529A

CN107134529A - 一种以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

Info

Publication number: CN107134529A
Application number: CN201710188438.0A
Authority: CN
Inventors: 苏彤彤; 李文朗; 郑世昭; 于涛; 杨志涌; 赵娟; 池振国; 张艺; 刘四委; 许家瑞
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: National Sun Yat Sen University
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2017-09-05

Abstract

本发明公开了一种以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池及其制备方法，其结构依次为：基底、透明导电电极、电子传输层、碳纳米点层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和金属电极。本发明采用碳纳米点界面修饰钙钛矿太阳能电池电子传输层的器件设计，在电子传输材料层之上，应用合成的碳纳米点，提高电子传输速率，减小界面复合几率，提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，制备工艺简单，显著提高钙钛矿太阳能电池的整体性能。

Description

一种以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及一种以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池及其制备方法。

背景技术

全球气候变化已经成为人类面临的共同挑战，开发和利用可再生的清洁能源显得日益迫切。太阳能电池利用清洁且可再生的太阳能源，将太阳能转换成电能。在实际应用中，硅基太阳能电池由于成熟的工艺得到了广泛的应用，占据市场的主导地位。但是由于硅基太阳能电池制备的高能耗和高成本，开发低成本和高效率的新型太阳能电池引起人们的广泛研究兴趣。

钙钛矿太阳能电池利用有机金属卤化物半导体作为光吸收材料，因其具有钙钛矿的结构ABX₃而得名，其中A是一价有机或无机阳离子(CH₃NH₃ ⁺,HC(NH₂)₂ ⁺,Cs⁺)，B是二价金属离子(Pb²⁺，Sn²⁺，Ge²⁺)，X是卤素阴离子(I^-,Br^-,Cl^-)。钙钛矿材料MAPbX₃(MA＝CH₃NH₃ ⁺，X＝I^-or Br^-)最初是作为染料敏化太阳能电池(DSSC)的敏化剂，由于其在液体电解质中不稳定性，在2009年只得到3.8％的光电转换效率。以有机金属卤化物为结构特点的钙钛矿材料具有优异的光吸收和载流子传输性能，到2016年太阳能转换效率已经超过20％，这使得其接近晶体硅太阳能电池和传统的碲化镉(CdTe)和铜铟镓锡(CIGS)薄膜太阳能电池的效率，其优异的性能和低廉的制备成本优势，已经引起了世界范围的广泛关注和研究兴趣，迅速成为极具市场潜力的新型太阳能电池。

钙钛矿太阳能电池光电转换效率的提升不仅取决于光的吸收能力，还取决于载流子在钙钛矿结构中的传输速率。电荷分离产生的自由电子和空穴必须迅速传输到对应的电极之后才能产生光电流，电荷收集效率会受到界面复合损耗以及缺陷捕获的影响。如果要在界面复合以及缺陷捕获之前到达电极,就需要载流子具有较高的传输速率。在钙钛矿太阳能电池器件中，钙钛矿光吸收层与电子传输层、空穴传输层的界面处，存在大量界面缺陷。

因此，提高太阳能电池性能的关键因素之一在于如何大幅度减小缺陷密度，提高载流子的传输速率。除了对钙钛矿太阳能电池每一层材料单独进行改进之外，不同功能层之间的界面修饰和调控显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其提高了界面载流子传输速率，减少复合几率，有效提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率。

本发明的另一个目的是提供上述太阳能电池的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：一种以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池结构依次为：基底、透明导电电极、电子传输层、碳纳米点层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和金属电极。

所述的碳纳米点层中，碳纳米点材料尺寸为5纳米至15纳米之间。

所述的基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇脂或聚醚砜树脂制成的柔性基底，或者，为玻璃制成的刚性基底。

所述的透明导电电极为氧化铟锡ITO、掺氟氧化锡FTO或掺铝氧化锌AZO。

所述的电子传输层为氧化钛、氧化锌或石墨烯，厚度为5纳米至100纳米之间。

所述的钙钛矿光吸收层是具有钙钛矿通式结构ABX₃的材料，其中A是一价有机或无机阳离子，B是二价金属离子，X是卤素阴离子，厚度为200纳米至500纳米之间。

所述的空穴传输层采用空穴传输层Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，厚度为5纳米至150纳米之间。

所述的金属电极为金、银或铝金属，厚度为50纳米至200纳米之间。

上述以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：在溅射有透明导电电极的基底上，依次旋涂电子传输层、碳纳米点层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层，最后热蒸镀金属电极。

本发明采用碳纳米点界面修饰钙钛矿太阳能电池电子传输层的器件设计，在电子传输材料层之上，应用合成的碳纳米点，提高电子传输速率，减小界面复合几率，提高了钙钛矿太阳能电池的光电转换效率，制备工艺简单，显著提高钙钛矿太阳能电池的整体性能。

为了能更进一步阐述本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的附图，但附图仅为提供参考与说明，并非用于对本发明加以限制。

附图说明

图1为本发明的以碳纳米点界面修饰钙钛矿太阳能电池结构示意图。

其中：透明导电电极1、电子传输层2、碳纳米点层3、钙钛矿光吸收层4、空穴传输层5、金属电极6、基底7。

具体实施方式

本发明采用以碳纳米点界面修饰电子传输层的器件设计,如图1所示，所述太阳能电池结构依次为：基底7、透明导电电极1、电子传输层2、碳纳米点层3、钙钛矿光吸收层4、空穴传输层5和金属电极6。

优选的，碳纳米点层3中，碳纳米点材料尺寸为5纳米至15纳米之间。基底7为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇脂或聚醚砜树脂等制成的柔性基底，或者，为玻璃等制成的刚性基底。透明导电电极1为氧化铟锡ITO、掺氟氧化锡FTO或掺铝氧化锌AZO。电子传输层2为氧化钛、氧化锌或石墨烯，厚度为5纳米至100纳米之间。钙钛矿光吸收层4是具有钙钛矿通式结构ABX₃的材料，其中A是一价有机或无机阳离子(CH₃NH₃ ⁺,HC(NH₂)₂ ⁺,Cs⁺等)，B是二价金属离子(Pb²⁺，Sn²⁺，Ge²⁺等)，X是卤素阴离子(I^-,Br^-,Cl^-等)，厚度为200纳米至500纳米之间。空穴传输层5采用空穴传输层Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，厚度为5纳米至150纳米之间。金属电极6为金、银或铝金属，厚度为50纳米至200纳米之间。

制备时，在溅射有透明导电电极1的基底7上，依次旋涂电子传输层2、碳纳米点层3、钙钛矿光吸收层4、空穴传输层5，最后热蒸镀金属电极6，即可。

以下通过具体的对比实施例和实施例子对本发明作进一步的阐述，但本发明并不限于此特定例子。

对比例1：

钙钛矿太阳能电池结构为：在溅射有透明导电电极1掺氟氧化锡FTO的玻璃基底7上，依次旋涂电子传输层2(Ti0₂)、钙钛矿光吸收层4甲胺铅氯碘盐CH₃NH₃PbI_3-xCl_x、空穴传输层5Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，最后热蒸镀银电极6。无封装器件在25℃和30％-50％湿度下测试，太阳能转换效率8.7％。

实施例1：

钙钛矿太阳能电池结构为：在溅射有透明导电电极1掺氟氧化锡FTO的玻璃基底7上，依次旋涂电子传输层2(Ti0₂)、碳纳米点层3(20mol/L水溶液)、钙钛矿光吸收层4甲胺铅氯碘盐CH₃NH₃PbI_3-xCl_x、空穴传输层5Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，最后热蒸镀银电极6。无封装器件在25℃和30％-50％湿度下测试，太阳能转换效率10.0％。

其中，用于旋涂碳纳米点层3的碳纳米点水溶液的制备方法可以采用目前常规的制备方法，例如：根据所需浓度，将适量的4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺、D-葡萄糖加入去离子水中形成澄清溶液，然后放入500瓦微波中10分钟，随后溶液由无色变为黄色，最后变为暗棕色，这种暗棕色溶液表明碳纳米点形成，可用于本实施例进行旋涂碳纳米点层3。

实施例2：

钙钛矿太阳能电池结构为：在溅射有透明导电电极1掺氟氧化锡FTO的玻璃基底7上，依次旋涂电子传输层2(Ti0₂)、碳纳米点层3(11mol/L水溶液，制备方法同实施例1)、钙钛矿光吸收层4甲胺铅氯碘盐CH₃NH₃PbI_3-xCl_x、空穴传输层5Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，最后热蒸镀银电极6。无封装器件在25℃和30％-50％湿度下测试，太阳能转换效率9.5％。

实施例3：

钙钛矿太阳能电池结构为：在溅射有透明导电电极1掺氟氧化锡FTO的玻璃基底7上，依次旋涂电子传输层2(Ti0₂)、碳纳米点层3(8mol/L水溶液，制备方法同实施例1)、钙钛矿光吸收层4甲胺铅氯碘盐CH₃NH₃PbI_3-xCl_x、空穴传输层5Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，最后热蒸镀银电极6。无封装器件在25℃和30％-50％湿度下测试，太阳能转换效率9.3％。

实施例4：

钙钛矿太阳能电池结构为：在溅射有透明导电电极1掺氟氧化锡FTO的玻璃基底7上，依次旋涂电子传输层2(Ti0₂)、碳纳米点层3(5mol/L水溶液，制备方法同实施例1)、钙钛矿光吸收层4甲胺铅氯碘盐CH₃NH₃PbI_3-xCl_x、空穴传输层5Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，最后热蒸镀银电极6。无封装器件在25℃和30％-50％湿度下测试，太阳能转换效率10.5％。

实施例5：

钙钛矿太阳能电池结构为：在溅射有透明导电电极1掺氟氧化锡FTO的玻璃基底7上，依次旋涂电子传输层2(Ti0₂)、碳纳米点层3(2mol/L水溶液，制备方法同实施例1)、钙钛矿光吸收层4甲胺铅氯碘盐CH₃NH₃PbI_3-xCl_x、空穴传输层5Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，最后热蒸镀银电极6。无封装器件在25℃和30％-50％湿度下测试，太阳能转换效率9.0％。

各实施例中钙钛矿太阳能电池的太阳能转换效率如表1所示。

表1.

	太阳能转换效率(％)
		对比例1	8.7
实施例1	10.0
		实施例2	9.5
实施例3	9.3
		实施例4	10.5
实施例5	9.0

注：器件测试条件为，无封装条件下，25℃和30％-50％湿度下测试。

综上所述，本发明采用以碳纳米点界面修饰电子传输层的器件设计，利用碳纳米点材料优异的电子传输性能，提高载流子的传输速率，减少界面缺陷复合几率，显著提高钙钛矿太阳能电池的器件性能，因此碳纳米点可作为优异的界面修饰材料应用于钙钛矿太阳能电池。本领域的技术人员可以根据本发明的技术方案和技术构思做出其它各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池结构依次为：基底、透明导电电极、电子传输层、碳纳米点层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层和金属电极。

2.根据权利要求1所述的以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的碳纳米点层中，碳纳米点材料尺寸为5纳米至15纳米之间。

3.根据权利要求1所述的以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的基底为聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇脂或聚醚砜树脂制成的柔性基底，或者，为玻璃制成的刚性基底。

4.根据权利要求1所述的以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的透明导电电极为氧化铟锡ITO、掺氟氧化锡FTO或掺铝氧化锌AZO。

5.根据权利要求1所述的以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的电子传输层为氧化钛、氧化锌或石墨烯，厚度为5纳米至100纳米之间。

6.根据权利要求1所述的以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的钙钛矿光吸收层是具有钙钛矿通式结构ABX₃的材料，其中A是一价有机或无机阳离子，B是二价金属离子，X是卤素阴离子，厚度为200纳米至500纳米之间。

7.根据权利要求1所述的以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的空穴传输层采用空穴传输层Spiro-OMeTAD(2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴)，厚度为5纳米至150纳米之间。

8.根据权利要求1所述的以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池，其特征在于：所述的金属电极为金、银或铝金属，厚度为50纳米至200纳米之间。

9.权利要求1-8所述以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：在溅射有透明导电电极的基底上，依次旋涂电子传输层、碳纳米点层、钙钛矿光吸收层、空穴传输层，最后热蒸镀金属电极。

10.根据权利要求9所述的以碳纳米点界面修饰的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：用于旋涂碳纳米点层的碳纳米点水溶液中，碳纳米点的摩尔浓度为2-20mol/L。